大型復(fù)雜產(chǎn)品裝配序列規(guī)劃技術(shù)研究

焦躍龍　張義森　王志超

摘 要：裝配序列規(guī)劃技術(shù)是虛擬裝配的關(guān)鍵技術(shù)之一。針對(duì)傳統(tǒng)的裝配序列規(guī)劃方法已不能滿足船用推進(jìn)器等大型復(fù)雜裝配體序列規(guī)劃的需求，提出了基于層次關(guān)聯(lián)圖的裝配信息模型，以及裝配經(jīng)驗(yàn)知識(shí)與割集法相結(jié)合的序列生成方法。最后憑借研究的理論知識(shí)開(kāi)發(fā)了裝配序列規(guī)劃系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：裝配序列規(guī)劃技術(shù)；層次關(guān)聯(lián)圖；裝配經(jīng)驗(yàn)知識(shí)；割集法

1.裝配信息模型

裝配信息模型是裝配序列規(guī)劃的基礎(chǔ)，完善、正確的裝配信息模型是裝配序列生成的保證。

1.1.裝配模型的信息需求

建立完整、精確的裝配信息模型的目的在于一方面為裝配序列規(guī)劃優(yōu)化提供全面的信息和支持。另一方面要簡(jiǎn)化裝配序列生成過(guò)程中算法的復(fù)雜度、提高計(jì)算效率。影響裝配序列規(guī)劃的裝配信息主要有三類(lèi)：1.零件自身的屬性信息，主要包括零件的形狀、尺寸、材料等；2.產(chǎn)品的組成層次信息，一個(gè)產(chǎn)品根據(jù)設(shè)計(jì)時(shí)的功能、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以劃分為多個(gè)功能模塊，功能模塊又可進(jìn)一步劃分；3.零部件間的裝配聯(lián)接關(guān)系信息，主要反映零部件之間的相對(duì)位置、相互聯(lián)接、相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系以及配合關(guān)系。

1.2.裝配模型的表達(dá)方式

國(guó)外很多學(xué)者對(duì)裝配信息模型的表達(dá)方式進(jìn)行了研究，提出了不同的表述方法，歸納起來(lái)共有兩種比較成熟的方法：

1.2.1.關(guān)聯(lián)圖模型：表達(dá)機(jī)械產(chǎn)品的裝配關(guān)系最初由法國(guó)學(xué)者Bourjault提出，Bourjault以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的圖結(jié)構(gòu)G（P，L）表達(dá)裝配體，其中節(jié)點(diǎn)P={ ， ， …… }代表裝配體中的零部件，n為產(chǎn)品中零部件的數(shù)目；邊L={ ， ， …… }代表裝配體中的零部件間的聯(lián)接關(guān)系，這里的聯(lián)接關(guān)系表示零件之間的物理接觸關(guān)系，m為聯(lián)接邊的數(shù)量。

1.2.2. 層次模型：從三維建模軟件中可以獲得原始的裝配樹(shù)結(jié)構(gòu)，該裝配樹(shù)中只包含裝配體中零部件的名稱(chēng)信息，為了能夠自動(dòng)生成裝配序列，還需對(duì)產(chǎn)品的零件、子裝配體、緊固件進(jìn)行統(tǒng)一的編號(hào)，為簡(jiǎn)化裝配層次樹(shù)，還可以將一組規(guī)格、功能相同的緊固件合并當(dāng)作一個(gè)零件處理。最后生成一個(gè)新的經(jīng)過(guò)編號(hào)和簡(jiǎn)化的裝配層次關(guān)系樹(shù)用于割集法生成裝配序列。

1.3.基于層次關(guān)聯(lián)圖的裝配信息模型

層次模型可以樹(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)表達(dá)，反映了裝配體中零部件之間的裝配層次關(guān)系，符合人們的思維習(xí)慣，能較好地體現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖和產(chǎn)品的零部件組成層次，由于將產(chǎn)品的零部件分層來(lái)表示，所以當(dāng)采用割集法生成裝配序列時(shí)，只對(duì)某一層的零部件進(jìn)行規(guī)劃，可以有效降低裝配序列規(guī)劃的復(fù)雜度。層次樹(shù)模型的缺點(diǎn)是缺乏對(duì)同層中零部件裝配關(guān)系的描述，也沒(méi)有涵蓋零部件裝配操作有關(guān)的信息，因此這種模型很難被裝配序列規(guī)劃模塊直接所用，關(guān)系模型主要用圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)表達(dá)，反映了裝配體中零部件之間的聯(lián)接關(guān)系，但是該模型不能清楚的表達(dá)產(chǎn)品零部件的層次結(jié)構(gòu)，不符合人們對(duì)產(chǎn)品的認(rèn)識(shí)習(xí)慣，對(duì)于割集算法當(dāng)產(chǎn)品中零部件數(shù)量較多時(shí)，容易產(chǎn)生“組合爆炸”問(wèn)題。

針對(duì)上述兩種方法的缺點(diǎn)，提出一種層次模型和關(guān)系模型相結(jié)合的裝配模型表達(dá)方法，即基于層次關(guān)聯(lián)圖的裝配信息模型。既表達(dá)了裝配體中零部件的裝配層次關(guān)系，也反映了零部件之間的聯(lián)接關(guān)系。

2.裝配序列生成

2.1.目前裝配序列求解比較典型的幾種方法，按求解方向的不同又可以將裝配序列生成方法分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是正向法，正向法是按照產(chǎn)品裝配的順序得出裝配序列；另一類(lèi)是逆向法，逆向法是按照產(chǎn)品拆卸的方法得出拆卸序列，再取逆序得裝配序列。

常用的知識(shí)表示結(jié)構(gòu)有：基于邏輯的知識(shí)表示，基于框架的知識(shí)表示，基于規(guī)則的知識(shí)表示三種類(lèi)型。其中基于規(guī)則的知識(shí)表示經(jīng)過(guò)分析更加符合裝配序列規(guī)劃的過(guò)程，同時(shí)在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方面比較容易，本文將主要介紹基于規(guī)則的裝配知識(shí)表示。基于規(guī)則的知識(shí)表示形式如下：

IF（前提條件1，前提條件2，…，前提條件n），THEN（結(jié)果），CF（可信度）

其中前提條件主要描述配合的零件以及裝配特征類(lèi)型等，結(jié)果表述零件的裝配序列，可信度表示結(jié)果正確的概率。

為了基于規(guī)則描述各種裝配知識(shí)還需定義若干謂詞，現(xiàn)舉例如下：

螺栓聯(lián)接用Bolt（x， ， ，y）表示，其中x表示螺栓，y表示螺母， ， 表示彈簧墊片和平墊片，當(dāng) ， 為0時(shí)表示該聯(lián)接沒(méi)有使用墊片。

Connect（（x），（y））表示用聯(lián)接件y將x中的零件聯(lián)接起來(lái)。

Sequences（x，N）表示零件x的裝配順序?yàn)镹。

利用上述三個(gè)謂詞可以構(gòu)造一個(gè)螺栓聯(lián)接的推理規(guī)則，先敘述如下：

IF（Connect（（x，y），bolt（cont1，cont2）），bolt（cont1，0，0，cont2）），

THEN（Sequence（cont1，1），Sequence（y，2），Sequence（x，3），Sequence（cont2，4）），CF（0.9）

該規(guī)則包括兩個(gè)前提條件，前提條件1表示用聯(lián)接件（cont1，cont2）將零件x，y聯(lián)接起來(lái)，前提條件2表示螺栓cont1，螺母cont2形成螺栓聯(lián)接但沒(méi)有使用墊片。結(jié)果為先安裝cont1，然后y，x，最后cont2。該結(jié)果正確的概率為90%。

2.2. 割集法

割集法求解裝配序列是裝配序列規(guī)劃問(wèn)題的重要方法之一，它把裝配體得拆卸過(guò)程巧妙的與圖的分割過(guò)程結(jié)合在一起。但是割集法也有一個(gè)很大的缺陷，當(dāng)零件的數(shù)目增加時(shí)，割集分解的數(shù)量呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增加，因此對(duì)于解決大規(guī)模裝配體割集法則顯得無(wú)能為力。

在利用割集法求解時(shí)，最后得到了每層子裝配體的裝配與或圖。

3.總結(jié)：

傳統(tǒng)的方法只能解決零部件較少的小型裝配體的裝配序列規(guī)劃問(wèn)題，本文針對(duì)大規(guī)模裝配體提出了基于層次關(guān)聯(lián)圖的裝配信息模型，該模型能夠恰當(dāng)?shù)谋磉_(dá)裝配體的結(jié)構(gòu)層次性以及零部件之間的聯(lián)接關(guān)系，在裝配序列生成時(shí)采用正逆向相結(jié)合的方法即裝配經(jīng)驗(yàn)知識(shí)與割集法相結(jié)合來(lái)求解裝配序列。

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